Ein neues Fenster in den Mikrokosmos

Transkript

1 Physik an der Teraskala: Ein neues Fenster in den Mikrokosmos Klaus Desch Physikalisches Institut der Universität Bonn Antrittsvorlesung Dies academicus

2 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

3 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

4 Aufbau der Materie Entfernung zum Pluto Mond Fussballstadion < Fussball

5 Im Innersten: Bausteine der Materie Es gibt genau drei Familien von Quarks und Leptonen Fermionen (Spin-½) Pauli-Prinzip eignen sich zum Aufbau komplexer Strukturen Dinge Alle experimentell nachgewiesen! Unterschied:Massen

6 Massen der Elementarteilchen Q = 1/3 d s b Q = +2/3 u c t Charged Leptons e µ τ All flavors ν 3 Neutrinos Tera-Elektronvolt: Die Teraskala mev ev kev MeV GeV TeV Warum so kompliziert???

7 Im Innersten: Kräfte Beziehung zwischen den Dingen geladene Teilchen nur Quarks vereinheitlicht: elektro-schwache Kraft alle Teilchen alle Teilchen? Austauschteilchen: Bosonen (Spin 1 oder 2), können klumpen

8 Das Standard-Modell Konsistente theoretische Beschreibung der Elementarteilchen und Kräfte - basiert auf einem Symmetrie-Prinzip: schön - hält präzisen experimentellen Tests seit Jahrzehnten stand und dennoch: es gibt sehr viele Gründe, dass das Ende des Standard-Modells nah ist neue Physik an der Teraskala

9 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

10 Das Rätsel der Masse: Der Higgs-Mechanismus Peter Higgs (1964!) Ist Masse keine Eigenschaft der Teilchen, sondern nur das Ergebnis einer permanenten Kraft??? In ein paar Jahren werden wir es wissen! Large Hadron Collider LHC

11 Noch größere Fragen HERA am DESY Gibt es eine Urkraft??? Vielleicht bei GeV (Planck-Skala): wir brauchen ein Teleskop : Präzision

12 Noch größere Fragen Im Universum gibt es eine Form von Materie, die nicht Quarks oder Leptonen sein kann! Kalte Dunkle Materie Sterne weit weg vom Zentrum einer Galaxie rotieren schneller um das Zentrum als erwartet Gibt es eine Urkraft??? Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung lassen auf dunkle Materie und dunkle Energie schließen Echo des Urknalls

13 Noch größere Fragen Woraus besteht die dunkle Materie???

14 Mögliche Lösungen Supersymmetrie (SUSY): Symmetrie zwischen den Dingen und ihren Beziehungen Fermionen Bosonen Bosonen Fermionen ~ ~ SUSY kann konzeptionelle Probleme lösen Brücke zur String-Theorie? Träger der dunklen Materie? zu schön? LHC kann SUSY sehen

15 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

16 Wie kann man kleine Bausteine sehen? Energie = hc / Wellenlänge Energie, Scotty Kleine Strukturen werden nur mit großer Energie sichtbar Wie kann man neue schwere Teilchen erzeugen? Energie = c 2 * Masse Schwere Teilchen können mit großer Energie erzeugt werden Teilchenbeschleuniger

17 Teilchen an die Teraskala befördern Praktische Einheiten für Energie: Elektronvolt (ev) Mit 20 kev kann man ~ 1/10 Atomradius auflösen Mit 2 GeV kann man ~ 1/10 Protonradius (0.1fm = m) auflösen Mit 200 GeV kann man ~ m auflösen (z.b. HERA am DESY) Der Name Teraskala kommt von Tera-Elektronvolt (TeV) = ev Auflösungsvermögen ~10-19 m genug Energie um die schwersten bekannten Teilchen (top) zu erzeugen, und vor allem neue, wenn sie existieren

18 Was macht die Teraskala so besonders? Wir wissen natürlich nicht, was an der Teraskala passieren wird. Aber: wir sind ziemlich sicher, dass etwas grundlegend neues passieren wird 1. Das Higgs-Boson (wenn es existiert) kann nicht schwerer als ~ 1 TeV sein (sonst erfüllt es seinen Zweck nicht) 2. Wenn es existiert, muss es einen Mechanismus im TeV-Bereich geben, der dafür sorgt, dass es nicht viel schwerer ist ( natürliche Higgs-Masse ~ TeV!) 3. Wenn es nicht existiert, wird das Standard-Modell bei ~1 TeV widersprüchlich, also sinnlos: neue Phänomene (Teilchen?) müssen in Erscheinung treten eine Win-Win Situation

19 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

20 Der Large Hadron Collider LHC LHCb ATLAS CMS ALICE

21 Der Large Hadron Collider LHC

22 Proton-Proton-Kollisionen am LHC bei 14 TeV Proton-Proton-Kollisionen 2835 Teilchenbündel (Bunch) Protonen / Bunch Kollisionsrate 40 MHz (25 ns) Schwerpunktsenergie 14 TeV (= 7400 x Ruheenergie der kollidierenden Teilchen) Schwerpunktsenergie der kollidierenden Quarks und Gluonen bis einige TeV ~25 pp-kollisionen pro Bunch-Kollision Interessante Ereignisse: unterdrückt!

23 Was passiert am LHC?

24 Das ATLAS-Experiment: die Kollisionen sichtbar machen Länge: 44m Durchmesser: 22m Gewicht: 7000t Warum so groß???

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26 Nicht nur groß, sondern vorallem komplex! Beispiele für in Deutschland gebaute Komponenten: Trigger-Elektronik HD,MZ,MA Si-Spur-Detektor FR,MPI-M Kalorimeter MPI-M,MZ,W Pixel-Detektor (Bonn, SI,DO,W) Myon-Detektor FR,MPI-M,LMU-M Grid-Computing FR,M,W,DESY

27 Eine Datenflut Kollision zweier Teilchenpakete alle 25 ns Kollision mit Erzeugung von SUSY-Teilchen: 1/Minute 1/Stunde! Nur eine aus Kollisionen ist SUSY Benötigt schnellste Online -Selektion von Ereignissen: Trigger-System 1 event o(mbyte) every 25 ns (40 TB/s) Trigger raw data 2 Gbit/s 10 TB/d 2.5 PB/a Tier-0 center at CERN Getriggerte Ereignisse müssen mit 200 Hz auf Datenträger geschrieben werden (= 3 CD-ROMs pro Sekunde) 2.5 PetaByte pro Jahr + gleiche Menge simulierter Ereignisse ~2000 Physiker weltweit wollen zugreifen weltverteiltes System Standard -Hardware (PC s)

28 Grid-Computing deutsches Tier-1-Zentrum GridKa am FZK Karlsruhe Grid-Gedanke: Computing aus der Steckdose Implementierung: weitaus komplexer

29 In den Startlöchern für die Datenanalyse - kein Einschalten und glücklich sein - Untergründe verstehen - Daten sammeln - Komplexe Auswertungen Ein Beispiel: Suche nach SUSY Wichtigster Prozess: Paarproduktion von Gluinos oder Squarks Beispiel: 0 τ ~ + τ + τ - Erkennungsmerkmale: Jets, (Tau-)Leptonen Fehlende Energie

30 Eine (simulierte) Kollision am LHC mit SUSY-Teilchen mit dem Auge nicht von normalen Prozessen (Untergrund) zu unterscheiden Entwicklung von Algorithmen zur Unterscheidung Simulationen zeigen, dass wir Standard-SUSY am LHC entdecken können, wenn die SUSY-Teilchen nicht schwerer als ~ 2-3 TeV sind. Aber gilt das für alle Szenarien??

31 Wann geht s los? Wann gibt es Ergebnisse? Sommer 2007: Maschine und Experimente fertig November 2007: Erste Kollisionen (bei niedriger Energie) Frühjahr-Sommer 2008: Erste Kollisionen bei 14 TeV (ab hier Spekulation) : Erste Entdeckungen? Spannende Zeit Laufzeit Jahre

32 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

33 Der nächste Schritt: eine Präzisionsmaschine große Beschleunigerprojekte benötigen Weitblick und langen Atem Planungen für LHC begannen in den 1980ern Wir wissen schon heute: die künftigen Ergebnisse des LHC erfordern ein Präzisionsinstrument: Ein Elektron-Positron-Beschleuniger an der Teraskala, der International Linear Collider ILC

34 Ein Plädoyer für Präzision Beispiel: Astronomie Beispiel: Teilchenphysik Wahrscheinlichkeit Masse des Top 1846: Beobachtung: kleine Abweichung der Bahn des Uranus von den Keplerschen Gesetzen Interpretation: ein zusätzlicher Planet (damals unentdeckt) kann die Abweichungen erklären Kurz darauf: Neptun wurde entdeckt LEP/SLD Beschleuniger: indirekte Bestimmung der Masse der Top-Quarks Kurz darauf: Entdeckung des Top-Quarks am Tevatron/USA

35 Was der ILC kann - Die Massen und Eigenschaften von Higgs und SUSY-Teilchen mal genauer messen als der LHC - Das schwerste Quark (top) viel präziser vermessen - Hinweise auf neue Phänomene weit oberhalb der Energie des Beschleuigers sichtbar machen: Teleskop -Effekt Stärke der Kraft Energie LHC Energie ILC Treffer oder nicht? Zukunftsmusik. Aber:

36 Präzise Detektoren für den ILC jetzt entwickeln! Ein Beispiel: Zeitprojektionskammer elegantes Nachweisprinzip für geladene Teilchen wenig Material: stört die zu messenden Teilchen nicht sehr genau Herausforderung: Miniaturisieung der Nachweiselektronik

37 Teilchenspuren vermessen digital und präzise Bonn/Freiburg-Prototyp Timepix-Chip: erste Spuren im Teststrahl am DESY: Pixel auf 1.4x1.4cm 2 Definition der Spurposition auf 20µm genau! 14 mm

38 Projektplanung: Das ILC Projekt B.Foster, Oxford Vorbereitung für eine Bauentscheidung ~2010+ läuft jetzt auf Hochtouren

39 Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält 1. Was wir schon wissen 2. Große Fragen 3. Die Teraskala 4. Der LHC und das ATLAS-Experiment 5. Ein Blick in die Zukunft: der Internationale Linearcollider ILC 6. Ausblick

40 Fundamentale Physik im 21. Jahrhundert Verbindungen wachsen zusammen: interdisziplinär das extrem Kleine das extrem Große das extrem Komplexe Strings Theoretische Zu wenig Teilchenphysik Dimensionen um alle Verbindungen zu zeichnen Astrophysik, Kosmologie Teilchenphysik an Beschleunigern Zusätzliche Raumdimensionen! Astroteilchenund Neutrinophysik Informationstechnologie Detektoren für Strahlung und Materie Kondensierte Materie

41 Neue Dimensionen Auch so etwas könnte an LHC und ILC entdeckt werden

42 Kölner Bibel, 1478 Apollo 17, 1972